Connect with us

Znanost

Foto: Umjetnički prikaz "flip-flop" kubita u kvantnoj zapetljanosti. Tony Melov/UNSW

Fizika

Flip-flop kubiti: Izumljen radikalno novi dizajn kvantnog računanja

Inženjeri australskog Sveučilišta New South Wales (UNSW) izumili su radikalnu novu arhitekturu kvantnog računanja zasnovanu na novim “flip-flop kvantnim bitovima ili qubitima”, koja obećava da će velika proizvodnja kvantnih čipova biti dramatično jeftinija – i jednostavnija – negoli se mislilo da je uopće moguće.

Novi dizajn čipa, detaljno opisan u časopisu Nature Communications, otvara mogućnost kvantnog procesora koji se može uvećati bez preciznog smještanja atoma, što je potrebno u drugim pristupima. Još važnije je da omogućava qubitima – osnovnim jedinicama informacije u kvantnom računalu – da budu smješteni na stotinama nanometara udaljenosti i svejedno ostanu spareni.

Dizajn je osmislio tim koji je vodio Andrea Morello, menadžer programa u Centru za izvrsnost kvantnog računanja i komunikacijske tehnologije ARC (COC2T) pri UNSW-u u Sidneyju, koj je rekao da bi izrada novog dizajna trebala biti lako dostupna današnjoj tehnologiji.

Voditelj studije Guilherme Tosi, istraživački suradnik u CQC2T, razvio je ovaj pionirski koncept zajedno s Morellom i koautorima Fahd Mohiyaddin, Vivien Schmitt i Stefanie Tenberg iz CQC2T, uz suradnju Rajiba Rahmana i Gerharda Klimecka s američkog Sveučilišta Purdue.



“To je briljantni dizajn, i kao mnogi takvi konceptualni skokovi, nevjerojatno je da se nitko toga ranije nije sjetio”, rekao je Morello.

“Ono što su Guilherme i tim izmislili je nov način definiranja “spin qubita” koji koristi i elektron i jezgru atoma. Ključno, ovaj novi qubit može se kontrolirati pomoću električnih signala, umjesto magnetskih. Električne signale znatno je lakše distribuirati i lokalizirati unutar elektroničkog čipa.”

Tosi je rekao kako dizajn zaobilazi izazov s kojim se susreću svi silicijski qubiti koji se temelje na spinovima dok su timovi gradili sve veće i veće polje qubita: potreba da ih razmaknu na udaljenosti od samo 10-20 nanometara, ili udaljenost između samo 50 atoma.

“Ako su preblizu, ili predaleko, “prepletenost” kvantnih bitova – što je ono što čini kvantna računala tako posebnima – ne događa se”, rekao je Tosi.

Znanstvenici s UNSW-a već su vodeći u svijetu u proizvodnji spin kubita – kubita sa zamahom – na ovoj skali, rekao je Morello. “Ali ako želimo stvoriti niz tisuća ili milijuna kubita tako blizu jedan drugog, to znači da sve kontrolne linije, kontrolna elektronika i uređaji za očitavanje moraju biti napravljeni na toj nanometričkoj skali, i s tom gustoćom elektroda. Ovaj novi koncept predlaže drugi put.”

Na drugom kraju spektra su supravodljivi krugovi – koje progone tvrtke IBM i Google – i ionske zamke. Ovi sustavi su veliki i lakše ih je napraviti, i trenutno vode brojem operativnih kubita. No, zbog svojih velikih dimenzija, dugoročno se mogu suočiti s izazovima kada pokušavaju sastaviti i raditi s milijunima kubita, kao što zahtijevaju najkorisniji kvantni algoritmi.

“Naš novi pristup temeljen na siliciju nalazi se na optimalnom mjestu”, rekao je Morello, profesor kvantnog inženjeringa na UNSW-u. “Lakše ga je proizvesti nego uređaje na atomskoj razini, ali i dalje omogućava smještanje milijuna kubita na kvadratni milimetar.”

U jednoatomnom kubitu koji je koristio Morrellov tim i koji se primjenjuje u Tosijevom novom dizajnu, silicijski čip prekriven je slojem izolacijskog silicijskog oksida, na čijem se vrhu nalazi uzorak metalnih elektroda koje rade na temperaturama blizu apsolutne nule i u prisutnosti vrlo snažnog magnetskog polja.

U jezgri je fosforni atom, iz kojeg je Morellov tim prethodno izgradio dva funkcionalna kubita koristeći se elektronom i jezgrom atoma. Ovi kubiti pojedinačno su demonstrirali rekordno vrijeme koherencije.

Tosijev konceptualni proboj je stvaranje sasvim novog tipa kubita, koristeći i jezgru i elektron. U ovom pristupu, stanje ‘0’ kubita definirao je kada je spin elektrona smanjen, a spin jezgre povećan, dok je stanje ‘1’ kada je spin elektrona uvećan a spin jezgre umanjen.

“Zovemo ga ‘flip-flop’ kubit”, rekao je Tosi. “Da biste upravljali ovim kubitom, morate izvesti elektron malo dalje iz jezgre koristeći se elektrodama na vrhu. Time ujedno stvarate električni dipol.”

“Ovo je ključna točka”, dodao je Morello. “Ovi električni dipoli u međusobnoj su interakciji na prilično velikim udaljenostima, dobar dio mikrona, ili tisuću nanometara.”

“To znači da sada možemo smjestiti jednoatomne kubite na puno veće udaljenosti nego se smatralo mogućim”, nastavio je. “Dakle, postoji dosta prostora za rasipanje ključnih klasičnih komponentni kao što su međusobni spojevi, kontrolne elektrode i uređaji za očitavanje, uz zadržavanje precizne atomske prirode kvantnog bita.”

Morello je Tosijev koncept nazvao značajnim kao prvobitni rad Brucea Kanea objavljen u časopisu Nature 1998. godine. Kane, tada viši istraživački suradnik na UNSW-u, pogodio je novu arhitekturu koja bi mogla kvantna računala na bazi silicija učiti dijelom stvarnosti – potaknuvši australsku utrku u izgradnji kvantnog računala.

“Kao i Kaneov rad, ovo je teorija, prijedlog – kubit tek mora biti izgrađen”, rekao je MMorello. “Imamo preliminarne eksperimentalne podatke koji sugeriraju da je u potpunosti izvedivo, pa sad radimo na demonstraciji. Ali mislim da je ovo u jednakoj mjeri vizionarsko kao i Kaneov originalni rad.”

Izgradnja kvantnog računala naziva se “svemirskom utrkom 21. stoljeća” – težak i ambiciozan izazov s potencijalom da dostavi revolucionarne alate za rješavanje inače nemogućih izračuna, s mnoštvom korisnih primjena u zdravstvu, obrani, financijama, kemiji i razvoju materijala, softverskog otklanjanja pogrešaka, zrakoplovstvu i transportu. Njegova brzina i moć leže u činjenici da kvantni sustavi mogu ugostiti višestruke “superpozicije” različitih početnih stanja, i u sablasnoj “prepletenosti” koja se pojavljuje samo na kvantnoj razini temeljnih čestica.

“Bit će potreban velik inženjering kako bi se kvantno računanje dovelo u komercijalnu stvarnost, i rad koji vidimo od ovog izvanrednog tima smješta Australiju na vozačko mjesto”, rekao je Mark Hoffman, dekan inženjerstva na UNSW-u. “Ovo je izvrstan primjer da se UNSW, kao i mnoga druga vodeća svjetska istraživačka sveučilišta, nalazi u srcu sofisticiranog globalnog sustava znanja koji oblikuje našu budućnost.”

Tim s UNSW-a sklopio je 83 milijuna australskih dolara težak dogovor između UNSW-a, telekomunikacijskog diva Telstra, australske Commonwealth banke i vlade Australije i Novog Južnog Walesa kako bi razvili, do 2022. godine, 10-kubitni protip silicijskog kvantnog integriranog kruga – prvi korak u izgradnji prvog kvantnog računala od silicija na svijetu.

U kolovozu su partneri pokrenuli Silicon Quantum Computing Pty Ltd, prvu australsku tvrtku za kvantno računanje, kako bi unaprijedili razvoj i komercijalizaciju jedinstvenih tehnologija ovog tima. Vlada Novog Južnog Walesa obećala je 8,7 milijuna australskih dolara, UNSW 25 milijuna, Commonwealth banka 14 milijuna, Telstra 10 milijuna i savezna vlada 25 milijuna američkih dolara.

Članak je originalno objavljen na phys.org.

3 komentara

3 Comments

  1. Mesinovic Mirsad

    rujan 8, 2017 kod 8:49 pm

    Napokon

  2. Emilija JB

    rujan 8, 2017 kod 9:07 pm

    Hmmm….

  3. Veselin Brkić

    rujan 9, 2017 kod 4:08 am

    Lajk za znanost, ostalo pročitano ne razumijem.

Ostavi komentar

Vaša adresa e-pošte neće biti objavljena. Nužna polja su označena s *

Više u Fizika

Popularno

Na Vrh